Raziskava vpliva dodatne LED svetlobe na povečanje pridelka hidroponske solate in pakchoija v rastlinjaku pozimi
[Povzetek] Pozimi v Šanghaju so pogosto nizke temperature in malo sonca, rast hidroponske listnate zelenjave v rastlinjakih pa je počasna, proizvodni cikel pa dolg, kar ne more zadostiti povpraševanju na trgu. V zadnjih letih se pri gojenju in pridelavi v rastlinjakih do neke mere uporabljajo dodatne LED luči za rastline, da bi nadomestili pomanjkljivost, da dnevno akumulirana svetloba v rastlinjaku ne more zadostiti potrebam rasti pridelkov, ko je naravna svetloba nezadostna. V poskusu sta bili v rastlinjaku nameščeni dve vrsti dodatnih LED luči z različno kakovostjo svetlobe, da bi izvedli raziskovalni poskus povečanja proizvodnje hidroponske solate in zelenih stebel pozimi. Rezultati so pokazali, da lahko obe vrsti LED luči znatno povečata svežo težo pakchoja in solate na rastlino. Učinek pakchoja na povečanje pridelka se kaže predvsem v izboljšanju splošne senzorične kakovosti, kot sta povečanje in odebelitev listov, učinek solate na povečanje pridelka pa se kaže predvsem v povečanju števila listov in vsebnosti suhe snovi.

Svetloba je nepogrešljiv del rasti rastlin. V zadnjih letih se LED luči pogosto uporabljajo pri gojenju in pridelavi v rastlinjakih zaradi visoke stopnje fotoelektrične pretvorbe, prilagodljivega spektra in dolge življenjske dobe [1]. V tujini imajo številne velike pridelave cvetja, sadja in zelenjave zaradi zgodnjega začetka sorodnih raziskav in zrelega podpornega sistema relativno popolne strategije za dodajanje svetlobe. Zbiranje velike količine dejanskih proizvodnih podatkov omogoča proizvajalcem tudi jasno napovedovanje učinka povečanja proizvodnje. Hkrati se ocenjuje donosnost uporabe sistema dodatne LED svetlobe [2]. Vendar pa je večina trenutnih domačih raziskav o dodatni svetlobi pristranska do kakovosti svetlobe in spektralne optimizacije v majhnem obsegu ter jim manjkajo strategije za dodatno svetlobo, ki bi jih bilo mogoče uporabiti v dejanski pridelavi [3]. Mnogi domači proizvajalci bodo pri uporabi dodatne svetlobne tehnologije v pridelavi neposredno uporabili obstoječe tuje rešitve za dodatno osvetlitev, ne glede na podnebne razmere na proizvodnem območju, vrste pridelane zelenjave ter stanje objektov in opreme. Poleg tega visoki stroški dodatne svetlobne opreme in visoka poraba energije pogosto povzročijo veliko vrzel med dejanskim pridelkom in ekonomskim donosom ter pričakovanim učinkom. Takšne trenutne razmere ne spodbujajo razvoja in promocije tehnologije dopolnilne svetlobe ter povečanja proizvodnje v državi. Zato je nujno, da zrele LED-dodatne svetlobne izdelke razumno uvedemo v dejanska domača proizvodna okolja, optimiziramo strategije uporabe in zberemo ustrezne podatke.

Zima je letni čas, ko je sveža listnata zelenjava zelo iskana. Rastlinjaki lahko pozimi zagotovijo primernejše okolje za rast listnate zelenjave kot polja na prostem. Vendar pa je članek poudaril, da imajo nekateri stari ali slabo očiščeni rastlinjaki pozimi prepustnost svetlobe manj kot 50 %. Poleg tega je pozimi pogosto tudi dolgotrajno deževno vreme, zaradi česar je rastlinjak v okolju z nizko temperaturo in slabo svetlobo, kar vpliva na normalno rast rastlin. Svetloba je postala omejujoč dejavnik za rast zelenjave pozimi [4]. V poskusu se uporablja Zelena kocka, ki je bila dana v dejansko proizvodnjo. Sistem sajenja listnate zelenjave s plitvim tekočim tokom je povezan z dvema LED-moduloma zgornje svetlobe podjetja Signify (China) Investment Co., Ltd. z različnim razmerjem modre svetlobe. Sajenje solate in pakchoija, ki sta dve listnati zelenjavi z večjim tržnim povpraševanjem, je namenjeno preučevanju dejanskega povečanja proizvodnje hidroponske listnate zelenjave z LED-razsvetljavo v zimskem rastlinjaku.

Materiali in metode
Materiali, uporabljeni za testiranje

V poskusu sta bila uporabljena testna materiala solata in zelenjava pakčoj. Sorta solate Green Leaf prihaja od podjetja Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., sorta pakčoj Brilliant Green pa od Horticulture Institute of Shanghai Academy of Agricultural Sciences.

Eksperimentalna metoda

Poskus je bil izveden v steklenem rastlinjaku tipa Wenluo v bazi Sunqiao podjetja Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd. od novembra 2019 do februarja 2020. Izvedena sta bila skupno dva kroga ponovljenih poskusov. Prvi krog poskusa je bil konec leta 2019, drugi krog pa v začetku leta 2020. Po setvi so bili poskusni materiali nameščeni v prostor z umetno svetlobo za vzgojo sadik in uporabljeno je bilo namakanje s plimovanjem. Med obdobjem vzgoje sadik je bila za namakanje uporabljena splošna hranilna raztopina hidroponske zelenjave z EC 1,5 in pH 5,5. Ko so sadike zrasle do 3 listov in 1 srca, so bile posajene na gredico za listnato zelenjavo s plitvim tokom tipa Green Cube Track. Po sajenju je sistem kroženja hranilne raztopine s plitvim tokom za dnevno namakanje uporabljal hranilno raztopino EC 2 in pH 6. Pogostost namakanja je bila 10 minut z dovodom vode in 20 minut brez dovoda vode. V poskusu sta bili določeni kontrolna skupina (brez dodatka svetlobe) in tretirana skupina (dodatek LED svetlobe). CK je bila posajena v steklenem rastlinjaku brez dodatka svetlobe. LB: po sajenju v stekleni rastlinjak je bila za dopolnilno svetlobo uporabljena drw-lb Ho (200 W). Gostota svetlobnega toka (PPFD) na površini hidroponske krošnje zelenjave je bila približno 140 μmol/(㎡·S). MB: po sajenju v stekleni rastlinjak je bila za dopolnilno svetlobo uporabljena drw-lb (200 W), PPFD pa je bila približno 140 μmol/(㎡·S).

Prvi krog poskusne sajenja je 8. november 2019, datum sajenja pa 25. november 2019. Čas dopolnjevanja svetlobe za testno skupino je od 6.30 do 17.00; drugi krog poskusne sajenja je 30. december 2019, datum sajenja je 17. januar 2020, čas dopolnjevanja za poskusno skupino pa je od 4.00 do 17.00.
V sončnem zimskem vremenu bo rastlinjak odprl strešno okno, stransko folijo in ventilator za dnevno prezračevanje od 6.00 do 17.00. Ko je ponoči temperatura nizka, bo rastlinjak zaprl strešno okno, stransko folijo in ventilator od 17.00 do 6.00 (naslednji dan) ter odprl toplotnoizolacijsko zaveso v rastlinjaku za ohranjanje nočne toplote.

Zbiranje podatkov

Višina rastline, število listov in sveža teža na rastlino so bili izmerjeni po spravilu nadzemnih delov sorte Qingjingcai in solate. Po merjenju sveže teže so bile rastline postavljene v pečico in sušene 72 ur pri 75 °C. Po koncu je bila določena suha teža. Temperatura v rastlinjaku in gostota fotosintetskega fotonskega toka (PPFD, gostota fotosintetskega fotonskega toka) sta bili zbrani in zabeleženi vsakih 5 minut s temperaturnim senzorjem (RS-GZ-N01-2) in senzorjem fotosintetsko aktivnega sevanja (GLZ-CG).

Analiza podatkov

Izračunajte učinkovitost rabe svetlobe (LUE, Light Use Efficiency) po naslednji formuli:
LUE (g/mol) = pridelek zelenjave na enoto površine/skupna kumulativna količina svetlobe, ki jo zelenjava prejme na enoto površine od sajenja do žetve
Vsebnost suhe snovi izračunajte po naslednji formuli:
Vsebnost suhe snovi (%) = suha teža na rastlino/sveža teža na rastlino x 100 %
Za analizo podatkov v poskusu in analizo pomembnosti razlike uporabite Excel2016 in IBM SPSS Statistics 20.

Materiali in metode
Svetloba in temperatura

Prvi krog poskusa je trajal 46 dni od sajenja do žetve, drugi krog pa 42 dni od sajenja do žetve. V prvem krogu poskusa se je povprečna dnevna temperatura v rastlinjaku večinoma gibala v območju od 10 do 18 ℃; v drugem krogu poskusa je bilo nihanje povprečne dnevne temperature v rastlinjaku večje kot v prvem krogu poskusa, z najnižjo povprečno dnevno temperaturo 8,39 ℃ in najvišjo povprečno dnevno temperaturo 20,23 ℃. Povprečna dnevna temperatura je med rastjo kazala na splošno naraščajoč trend (slika 1).

V prvem krogu poskusa je dnevni svetlobni integral (DLI) v rastlinjaku nihal za manj kot 14 mol/(㎡·D). V drugem krogu poskusa je dnevna kumulativna količina naravne svetlobe v rastlinjaku pokazala splošen trend naraščanja, ki je bil višji od 8 mol/(㎡·D), najvišja vrednost pa se je pojavila 27. februarja 2020, in sicer 26,1 mol/(㎡·D). Sprememba dnevne kumulativne količine naravne svetlobe v rastlinjaku v drugem krogu poskusa je bila večja kot v prvem krogu poskusa (slika 2). V prvem krogu poskusa je bila skupna dnevna kumulativna količina svetlobe (vsota DLI naravne svetlobe in DLI dodatne LED svetlobe) skupine z dodatno svetlobo večino časa višja od 8 mol/(㎡·D). V drugem krogu poskusa je bila skupna dnevna kumulativna količina svetlobe skupine z dodatno svetlobo večino časa večja od 10 mol/(㎡·D). Skupna akumulirana količina dodatne svetlobe v drugem krogu je bila za 31,75 mol/㎡ večja kot v prvem krogu.

Pridelek listnate zelenjave in učinkovitost izrabe svetlobne energije

●Rezultati prvega kroga testov
Iz slike 3 je razvidno, da pakchoi z dodatkom LED-svetlobe bolje raste, oblika rastline je bolj kompaktna, listi pa so večji in debelejši kot pri pakchoi brez dodatka. Listi pakchoi LB in MB so svetlejši in temneje zeleni kot pri CK. Iz slike 4 je razvidno, da solata z dodatno LED-svetlobo bolje raste kot CK brez dodatne svetlobe, število listov je večje in oblika rastline je polnejše.

Iz tabele 1 je razvidno, da ni bistvene razlike v višini rastlin, številu listov, vsebnosti suhe snovi in ​​učinkovitosti izrabe svetlobne energije pri pakchoiju, tretiranem s CK, LB in MB, vendar je sveža teža pakchoija, tretiranega z LB in MB, bistveno višja od teže CK; pri tretiranju z LB in MB ni bilo bistvene razlike v sveži teži na rastlino med obema LED-lučema za rast z različnim razmerjem modre svetlobe.

Iz preglednice 2 je razvidno, da je bila višina rastlin solate pri obdelavi z LB bistveno višja kot pri obdelavi s CK, vendar ni bilo pomembne razlike med obdelavo z LB in obdelavo z MB. Med tremi obdelavami so bile pomembne razlike v številu listov, število listov pri obdelavi z MB pa je bilo najvišje, in sicer 27. Sveža teža na rastlino pri obdelavi z LB je bila najvišja, in sicer 101 g. Prav tako je bila pomembna razlika med obema skupinama. Med obdelavama s CK in LB ni bilo pomembne razlike v vsebnosti suhe snovi. Vsebnost MB je bila za 4,24 % višja kot pri obdelavah s CK in LB. Med tremi obdelavami so bile pomembne razlike v učinkovitosti izrabe svetlobe. Najvišja učinkovitost izrabe svetlobe je bila pri obdelavi z LB, in sicer 13,23 g/mol, najnižja pa pri obdelavi s CK, in sicer 10,72 g/mol.

●Rezultati drugega kroga testov

Iz preglednice 3 je razvidno, da je bila višina rastline Pakchoi, tretirane z MB, bistveno višja kot pri CK in med tretiranjem z LB ni bilo pomembne razlike. Število listov Pakchoi, tretiranih z LB in MB, je bilo bistveno večje kot pri CK, vendar med skupinama dodatnih svetlobnih tretiranj ni bilo pomembne razlike. Med tremi tretiranji so bile pomembne razlike v sveži teži na rastlino. Sveža teža na rastlino je bila pri CK najnižja, in sicer 47 g, pri tretiranju z MB pa najvišja, in sicer 116 g. Med tremi tretiranji ni bilo pomembne razlike v vsebnosti suhe snovi. Obstajajo pomembne razlike v učinkovitosti izrabe svetlobne energije. CK je nizek, in sicer 8,74 g/mol, pri tretiranju z MB pa najvišja, in sicer 13,64 g/mol.

Iz preglednice 4 je razvidno, da med tremi obravnavanji ni bilo pomembne razlike v višini rastlin solate. Število listov pri obravnavanjih z LB in MB je bilo bistveno večje kot pri obravnavanju s CK. Med njimi je bilo število listov MB največje, in sicer 26. Med obravnavanjem z LB in MB ni bilo pomembne razlike v številu listov. Sveža teža na rastlino obeh skupin z dodatnimi svetlobnimi obravnavanji je bila bistveno višja kot pri CK, sveža teža na rastlino pa je bila najvišja pri obravnavanju z MB, in sicer 133 g. Prav tako so bile pomembne razlike med obravnavanjem z LB in MB. Med tremi obravnavanji so bile pomembne razlike v vsebnosti suhe snovi, vsebnost suhe snovi pri obravnavanju z LB pa je bila najvišja, in sicer 4,05 %. Učinkovitost izkoriščanja svetlobne energije pri obdelavi MB je bistveno višja kot pri obravnavanju s CK in LB, in znaša 12,67 g/mol.

V drugem krogu poskusa je bil skupni DLI skupine z dodatno svetlobo precej višji od DLI v enakem številu dni kolonizacije v prvem krogu poskusa (slika 1-2), čas dodatne svetlobe skupine, tretirane z dodatno svetlobo, pa je bil v drugem krogu poskusa (4:00-00-17:00). V primerjavi s prvim krogom poskusa (6:30-17:00) se je povečal za 2,5 ure. Čas žetve v obeh krogih pakchoija je bil 35 dni po sajenju. Sveža teža posamezne rastline CK v obeh krogih je bila podobna. Razlika v sveži teži na rastlino pri tretiranju z LB in MB v primerjavi s CK v drugem krogu poskusov je bila precej večja kot razlika v sveži teži na rastlino v primerjavi s CK v prvem krogu poskusov (tabela 1, tabela 3). Čas žetve v drugem krogu poskusne solate je bil 42 dni po sajenju, čas žetve v prvem krogu poskusne solate pa 46 dni po sajenju. Število dni kolonizacije v drugem krogu pobiranja poskusne solate CK je bilo 4 dni manjše kot v prvem krogu, vendar je sveža teža na rastlino 1,57-krat večja kot v prvem krogu poskusov (tabela 2 in tabela 4), učinkovitost izrabe svetlobne energije pa je podobna. Vidimo lahko, da se s postopnim segrevanjem temperature in postopnim povečanjem naravne svetlobe v rastlinjaku proizvodni cikel solate skrajša.

Materiali in metode
Dva kroga testiranja sta v bistvu zajela celotno zimo v Šanghaju, kontrolna skupina (CK) pa je uspela relativno obnoviti dejansko stanje pridelave hidroponske zelene stebelne in solate v rastlinjaku pri nizkih temperaturah in šibki sončni svetlobi pozimi. Poskusna skupina z dodatkom svetlobe je imela v obeh krogih poskusov pomemben spodbudni učinek na najbolj intuitiven podatkovni indeks (sveža teža na rastlino). Med njimi se je učinek povečanja pridelka Pakchoi odražal v velikosti, barvi in ​​debelini listov hkrati. Toda solata ponavadi poveča število listov, oblika rastline pa je videti polnejša. Rezultati testov kažejo, da lahko dodatek svetlobe izboljša svežo težo in kakovost pridelka pri sajenju obeh kategorij zelenjave, s čimer se poveča komercialna prodaja zelenjavnih proizvodov. Pakchoi, dopolnjen z rdeče-belimi, šibko modrimi in rdeče-belimi, srednje modrimi LED moduli zgornja svetloba je temnejše zelene in sijoče barve kot listi brez dodatne svetlobe, listi so večji in debelejši, trend rasti celotne vrste rastline pa je bolj kompakten in bujen. Vendar pa »mozaična solata« spada med svetlo zeleno listnato zelenjavo in med rastjo ni očitnega procesa spreminjanja barve. Sprememba barve listov ni očitna za človeško oko. Ustrezen delež modre svetlobe lahko spodbudi razvoj listov in sintezo fotosintetskih pigmentov ter zavira podaljševanje internodijev. Zato je zelenjava v skupini svetlobnih dodatkov pri potrošnikih bolj priljubljena glede videza.

V drugem krogu poskusa je bila skupna dnevna kumulativna količina svetlobe skupine z dodatno svetlobo precej višja od DLI v enakem številu dni kolonizacije v prvem krogu poskusa (slika 1-2), čas dodatne svetlobe v drugem krogu skupine z dodatno svetlobo (4:00-17:00) pa se je v primerjavi s prvim krogom poskusa (6:30-17:00) povečal za 2,5 ure. Čas žetve v obeh krogih pakchoja je bil 35 dni po sajenju. Sveža teža CK v obeh krogih je bila podobna. Razlika v sveži teži na rastlino med tretiranjem LB in MB ter CK v drugem krogu poskusov je bila precej večja kot razlika v sveži teži na rastlino s CK v prvem krogu poskusov (tabela 1 in tabela 3). Zato lahko podaljšanje časa dodatka svetlobe spodbudi povečanje proizvodnje hidroponskega pakchoja, gojenega v zaprtih prostorih pozimi. Čas žetve drugega kroga poskusne solate je bil 42 dni po sajenju, čas žetve prvega kroga poskusne solate pa 46 dni po sajenju. Ko je bil pobran drugi krog poskusne solate, je bilo število dni kolonizacije skupine CK 4 dni manjše kot v prvem krogu. Vendar je bila sveža teža ene rastline 1,57-krat večja kot v prvem krogu poskusov (tabela 2 in tabela 4). Učinkovitost izrabe svetlobne energije je bila podobna. Vidimo lahko, da se lahko s počasnim naraščanjem temperature in postopnim povečanjem naravne svetlobe v rastlinjaku (slika 1-2) proizvodni cikel solate ustrezno skrajša. Zato lahko dodajanje dodatne svetlobne opreme v rastlinjak pozimi z nizkimi temperaturami in nizko sončno svetlobo učinkovito izboljša proizvodno učinkovitost solate in nato poveča pridelek. V prvem krogu poskusa je bila poraba energije rastline z dopolnilno svetlobo 0,95 kWh, v drugem krogu poskusa pa 1,15 kWh. V primerjavi z obema krogoma poskusov je bila poraba svetlobe pri treh tretiranjih s pakchoijem in učinkovitost izrabe energije v drugem poskusu nižja kot v prvem. Učinkovitost izrabe svetlobne energije skupin solate CK in LB, tretiranih z dodatno svetlobo, je bila v drugem poskusu nekoliko nižja kot v prvem. Sklepamo lahko, da je možen razlog ta, da nizka povprečna dnevna temperatura v enem tednu po sajenju podaljša obdobje počasnega rasti sadik, in čeprav se je temperatura med poskusom nekoliko dvignila, je bil razpon omejen, skupna povprečna dnevna temperatura pa je bila še vedno nizka, kar je omejilo učinkovitost izrabe svetlobne energije med celotnim rastnim ciklom za hidroponsko listnato zelenjavo (slika 1).

Med poskusom bazen s hranilno raztopino ni bil opremljen z ogrevalno opremo, zato je bilo koreninsko okolje hidroponske listnate zelenjave vedno na nizki temperaturi, povprečna dnevna temperatura pa je bila omejena, zaradi česar zelenjava ni mogla v celoti izkoristiti dnevne kumulativne svetlobe, ki se je povečala s podaljšanjem dodatne LED-svetlobe. Zato je treba pri dodajanju dodatne svetlobe v rastlinjaku pozimi upoštevati ustrezne ukrepe za ohranjanje toplote in ogrevanje, da se zagotovi učinek dodatne svetlobe za povečanje pridelave. Zato je treba upoštevati ustrezne ukrepe za ohranjanje toplote in povečanje temperature, da se zagotovi učinek dodatne svetlobe in povečanje pridelka v zimskem rastlinjaku. Uporaba dodatne LED-svetlobe bo do neke mere povečala proizvodne stroške, kmetijska proizvodnja pa sama po sebi ni visokodonosna panoga. Zato so potrebni nadaljnji proizvodni poskusi glede optimizacije strategije dodatne svetlobe in sodelovanja z drugimi ukrepi pri dejanski pridelavi hidroponske listnate zelenjave v zimskem rastlinjaku ter uporabe dodatne svetlobne opreme za doseganje učinkovite pridelave in izboljšanje učinkovitosti izrabe svetlobne energije ter ekonomskih koristi.

Avtorji: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd.).
Vir članka: Tehnologija kmetijskega inženirstva (vrtinarstvo v rastlinjakih).

Reference:
[1] Jianfeng Dai, Uporaba Philipsovih vrtnarskih LED-sijalk v rastlinjakih [J]. Kmetijska inženirska tehnologija, 2017, 37 (13): 28–32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin in sod. Stanje uporabe in možnosti tehnologije svetlobnih dodatkov za zaščiteno sadje in zelenjavo [J]. Severno vrtnarstvo, 2018 (17): 166–170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao in drugi. Stanje raziskav in uporabe ter razvojna strategija razsvetljave rastlin [J]. Journal of lighting engineering, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi in drugi. Uporaba svetlobnih virov in nadzor kakovosti svetlobe pri pridelavi zelenjave v rastlinjakih [J]. Kitajska zelenjava, 2012 (2): 1–7